Mer om medelvärdesmodellering av motorer Generell modelleringsstrategi

Transkript

1 Fö : Kursinformation Inbjudan till föreläsning av Per Gillbrand urbo-pelle Drivlina Wheel orsdagen oktober,. - ca 7 ngine lutch Drive shaft Pensionerad teknisk chef för SAAB Motorutveckling. n legend. Livslång erfarenhet av motorutveckling. Imonerade motorark av fungerande minatyrmotorer. Final drive Samarrangemang med Akademiska Hus som bjuder å fika i rasten. ransmission Proeller shaft Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7 Drivlina lering Drivlina Reglering Stelkrosmodellen illståndsval: θ w Användningsområden: Kolar motor till väglast Drivlina med en elasticitet och två massor illståndsval: θ w, θ m och θe i θw Användningsområden: Hastighets- och momentreglering. Överföringsfunktion och analys mha rotort illustrerar rincierna Hastighetsreglering Motorvarvtal Hjulvarvtal Momentreglering Växlingsreglering Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7 Motor Reetition Fö : Motor Reetition -Based ontrol Medelvärdesmodellering Inomcykelmodeller: V-diagram, Momentmodellen Reglering av luft och bränsle (fram- och återkoling) uf v Load disturbance ṁat θth i ṁfi θign λbc λac r H (s) Filter and inverse model ontroller Process model xref e uc L ontrol Law ˆx Observer u H(s) Process y w Measurement disturbance Intake Mth i Me atalyst O volume in % H O O Lambda window NO x NO x NOx and H in ½ Mload H N.9.. λ Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7 Fö : Motor MVM forts. Fö : Motor MVM forts. Mer om medelvärdesmodellering av motorer Generell modelleringsstrategi Reetition viktiga storheter: ryck, Massflöde ṁ, (emeratur ) Strategi: Kontrollvolym Restriktion Kontrollvolym Restriktion... Volymerna i rör Kontrollvolymer Komonenter som styr flödet Restriktioner eller umar Lars riksson 7 Setember 7 Lars riksson Setember 7

2 omressible flow restriction Sonic velocity Pressure ratio r [ ] Sub sonic velocity ler för massflödet Fö : Motor MVM forts. Incomressible flow models Fö : Motor MVM forts. Olika modeller beroende å flödeskaraktäristik. Är flödet turbulent eller laminärt? Re = ρ U d µ ρ ṁ = / ie flow / = ρ A d µ = ṁ π d µ Re > flödet är turbulent Re < flödet är laminärt Med vilken hastighet strömmar gasen? U < 7 m/s inkomressibelt flöde U > 7 m/s komressibelt flöde De flesta flöden i motorer är: turbulenta inkomressibla Vissa reglerventiler kräver komressibla flödesmodeller Laminar flow = lam ṁ ṁ = lam where lam = is a tuning constant and R us us accounts for the inlet density. urbulent flow = ρ us U = ṁ ṁ = us Both include density correction R us Lars riksson 9 Setember 7 Lars riksson Setember 7 Fö : Motor MVM forts. Fö : Motor MVM forts. Reetition Luftflödesmodell för trotteln Validering, luftfilter och avgassystem Komressibel isentroisk strömning genom en stryning. ṁ at = a Ra A th (α) th (α) Ψ( r) Area A th (α) Kontraktion th (α) Ljudhastigheten Ψ( r ) [ ] α α Ψ(r) = γ γ γ γ γ γr γ r r > ( ) γ γ γ ( ( ) γ γ ( ) )γ γ γ Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7 Fö : Motor MVM forts. Fö : Motor MVM forts. Validering, luftfilter och avgassystem Air Filter Pressure Pressure af es. m / a a air System Pressure Loss. t / t m af ic,mod int,meas ic m c air c / Residual Plot.... m c air c / Flödesrestriktionsmodell enligt ovan emeraturmodell baserad å effektivitet η ic = c ic c cool Bestäm η ic (ṁ ic, cool, ṁ cool,...) från motorma. Använd modellen ic = c η ic (...)( c cool ) Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7 Fö : Motor MVM forts. Fö : Motor Överladdning och nedskalning Grundläggande om turbo Avgastemeratur Det finns modeller! Överbliven energi från den termodynamiskacykeln. Värmeöverföring från avgasrör, turbin och katalysator till omgivningen. Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7

3 7 9 Fö : Motor Överladdning och nedskalning Fö : Motor Överladdning och nedskalning Metoder för överladdning a) b) Överladdning Suercharging Från komendiet: Suercharging is the collected name for several methods that increase the intake air density, i.e. methods that charges extra air to the cylinder, and one articular method is called turbocharging. a) Mekanisk överladdning b) urboladdning c) våstegs turbo, seriell d) våstegs turbo, arallell e) Motordriven komressor f) urboladdning med turbocomound c) d) e) f) Lars riksson 7 Setember 7 Lars riksson Setember 7 Fö : Motor Överladdning och nedskalning tt turboaggregat Fö : Motor Överladdning och nedskalning Nedskalning och överladdning Betrakta ett fordon som kan utrustas med två olika motorer. Varför ger en stor motor högre bränsleförbrukning än en liten? Svaret ligger i att motorn alltid körs å dellast. entrifugalkomressor Radialturbin Lars riksson 9 Setember 7 Lars riksson Setember 7 Fö : Motor Överladdning och nedskalning Fö : Motor Överladdning och nedskalning Nedskalning Dellastförluster Hur utnyttjas bruttoarbetet? sfc [g/kwh] ngine torque [Nm] Pressure [bar] 7 9 ngine seed [RPM] 7 9 Lars riksson Setember 7 Volume/V c Lars riksson Setember 7 Fö : Motor Överladdning och nedskalning Fö : Motor Överladdning och nedskalning Hur utnyttjas bruttoarbetet (i en. liters motor)? Nedskalning och överladdning.9..7 Puming Friction Utilization of Gross Indicated Work. liter. liter. liter turbo sfc [g/kwh] 9 km/h Performance at RPM. l. l. l turbo Utilization [%]... Useful Pressure [bar].. Volume/V c.. η [ ]. 9 km/h.. orque [Nm] orque [Nm] Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7

4 _amb _amb ambient _amb ambient _amb Restriction W_es W_af _ambient _amb ambient _amb_ Air filter Restriction W_af [kg/s] Air filter _es [K] _es Ground _af _es Ground _af urbine _es[pa] omressor _af [Pa] _af [K] u_wg [...] W_com [kg/s] [rad/s] q_c q_t dynamics urbine and wastegate omressor _em [K] _em Ground _Rc _em _c Ground 9 _em[pa] Manifold n_e W_ic _cool cool _c [K] rad/s > U/min /i conv w_e W_e W_ic [kg/s] u_th [deg] ti _ic [Pa] _c [Pa] W_e_fg erminator _ic [K] MALAB Function degarea lambda [ ] ngine Ground _ic u u effective area down down 7 _i m[pa] _im _im _ic Butterfly throttle Intake manifold _im [K] flow mflow u u down 7 W_th [kg/s] Ground W_th W_cyl [kg/s] Fö : Motor Överladdning och nedskalning urboladdning och momentkaraktäristik Fö : Motor Överladdning och nedskalning Komressor- och turbinrestanda Maar orque orque deficiency urbo charged engine Naturally asirated engine... Surge Line. omressor Ma.7.. urbine Ma. Π c = = orrected flow [kg/s]...7. fficiency [ ] Shaed orque = = = = W [kg/s] c,corr xansion Ratio /Π t Pressure ratio Π c = xansion ratio Π t = ngine Seed Korrigerat massflöde och korrigerad hastighet ffektivitet Hur bestäms komressor- och turbinrestanda? Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7 Fö : Motor Överladdning och nedskalning Fö : Motor Överladdning och nedskalning Bestämning av komressor- och turbinrestanda ṁc ṁa,tu M V B ṁf,tu Komressor- och turbinekvationer ωtc Lars riksson 7 Setember 7 Lars riksson Setember 7 Fö : Motor Överladdning och nedskalning Fö : Motor Överladdning och nedskalning Komressor och urbin ler n MVM för en urbomotor Grundläggande rinci Generaliserade restriktioner i MVM ṁ = f (Π, ω tc ) η = f (Π, ω tc ) Ẇ = f (Π, ω tc, in )... Surge Line. omressor Ma.7.. urbine Ma u u down flow down mflow u u down _Raf m*_c _Raf _c _Rc q_c mflow u u down _cool [K] _u W_ic _u _down _fwd_flow [K] _down mflow u u down. Π c = = orrected flow [kg/s]...7. fficiency [ ] = = = =.. u u down down flow mflow u u down _es _turb _es u_wg m_es _em _em q_t mflow u u down em mflow e w_e im q_e im air Flow lambda.... W [kg/s] c,corr xansion Ratio /Π t Lars riksson 9 Setember 7 Lars riksson Setember 7 Fö : Motor Överladdning och nedskalning Fö : Motor Överladdning och nedskalning Reglering av laddtrycket Wastegate Stegsvar för turbomotor - urbo lag tt stegsvar Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7

5 Fö : Motor Överladdning och nedskalning Fö : Motor Överladdning och nedskalning Reglering av laddtrycket VG Arean ändras med styrsignalen Variable Geometry urbine VG (bara dieselmotorer idag) Lars riksson Setember 7 Lars riksson Setember 7